Soluzioni modulari e discrete per PCB a confronto

Spinti dalla richieste di tempi di sviluppo (time to market) sempre più ridotti, i progettisti di PCB sono alla costante ricerca di soluzioni in grado di ridurre i tempi di prototipazione e progettazione. Le soluzioni modulari diventano quindi sempre più appetibili, garantendo le funzionalità richiesta con rapidi tempi di sviluppo. Inoltre, il tempo risparmiato utilizzando una soluzione modulare potrà essere speso per diversificare il prodotto finale spostando l’attenzione su funzionalità più appetibili dal mercato. 

In questo articolo cercheremo di analizzare i principali vantaggi (e svantaggi) dell’utilizzo di una soluzione modulare su un PCB, ed infine valuteremo nel dettaglio i moduli di potenza e i moduli RF che rappresentano le soluzioni i più popolari nella categoria dei moduli.

Diversi tipi di moduli

Esistono sul mercato differenti tipi di moduli e questi vengono caratterizzati in base al loro  grado di integrazione; dal punto di vista del progettista vengono comunque trattati come chip SMD:

• System on Chip (SOC), consistono in più componenti sullo stesso substrato di silicio, difatti possono essere considerati come normali circuiti integrati.
• System in Package (SIP), consistono in più componenti su diversi substrati di silicio, connessi tra di loro e integrati in un unico package, anch’essi possono essere considerati come normali circuiti integrati.
• System On Module (SOM), sono veri e propri PCB popolati con diversi chip e progettati per essere saldati sopra un altro PCB con la tecnica della castellation:

Tempi di Sviluppo, manufacturing e testing

Per quanto riguarda il tempo di sviluppo, includendo prototipazione e progettazione CAD, indubbiamente una soluzione modulare risulta molto vantaggiosa. Infatti, il modulo costituisce un singolo componente nel PCB e quindi anche meno prono ad errori di progettazione e di layout. Si pensi a tutte le problematiche di accoppiamento tra segnali o rumore quando si progetta una soluzione discreta di potenza o a radiofrequenza. Il modulo costituisce una soluzione già testata e pronta all’uso.

Sia per il manufacturing ed il test le soluzioni modulari sono molto vantaggiose in quanto ci si deve occupare dell’assemblaggio e della verifica di un unico componente. Anche dal punto di vista dei tempo di test si ha un notevole vantaggio in quanto il numero di verifiche da effettuare è sicuramente minore rispetto ad una soluzione discreta, essendo il modulo è già stato testato in tutte le sue funzionalità interne dal fornitore.

Non è da sottovalutare anche il vantaggio dal punto di vista logistico, il reparto acuisti si dovrà occupare di ordinare, mantenere in stock e controllare la disponibilità futura di un unico componente invece che di molteplici componenti. 

Costi

In termini di costo di acquisto i moduli sono generalmente più costosi rispetto ad una soluzione discreta in quanto più complessi da produrre. Tuttavia, per fare una comparazione corretta delle due soluzioni si dovrebbe considerare anche i costi aggiuntivi relativi al tempo di assemblaggio (pick and place), tempo di testing e costi logistici di una soluzione discreta. 

Anche dal punto di vista della resa una soluzione modulare comporta sicuramente meno fallimenti e quindi una riduzione totale dei costi. Si pensi uno scenario in cui è richiesto l’utilizzo di chip con package BGA ad alta densità. Una soluzione discreta comporta la verifica di una buona saldatura con degli inevitabili scarti; mentre in una soluzione modulare tale validazione è già stata fatta dal fornitore, il quale fornisce un modulo PCB con il package BGA già saldato e validato.

Generalmente per bassi volumi i costi per una soluzione discreta e modulare sono comparabili o leggermente a favore della soluzione modulare. Mentre per alti volumi la soluzione discreta risulta generalmente più vantaggiosa. Una regola indicativa, ma comunque da valutare caso per case, è considerare la soluzione modulare come una buona alternativa anche dal punto di vista economico per volumi sotto le centomila unità.

Moduli per l’alimentazione

Recentemente molti silicon vendor hanno rilasciato moduli SIP integranti un DC/DC converter chip con tutta la circuiteria necessaria per il funzionamento (principalmente l’induttore di potenza).

Queste soluzioni spesso integrano l’induttore sopra il chip DC/DC comportando un’occupazione della board nettamente inferiore rispetto ad una soluzione discreta (anche se risultano ovviamente più alti). Tali moduli possono integrare anche le capacità di bypass del DC/DC comportando performance nettamente superiori dal punto di vista EMI rispetto ad una soluzione discreta. 

Gli svantaggi sono essenzialmente due e sono legati al fatto che l’induttore di potenza è integrato nel modulo. Il primo è legato all’efficienza, infatti, un opzione per aumentarla in un DC/DC converter è quella di utilizzare un induttore fisicamente più grande con minor resistenza dell’avvolgimento, questa alternativa è possibile solo in una soluzione discreta. In secondo luogo, dal punto di vista termico le performance di un modulo potrebbero risultare inferiori, in quanto un singolo package deve dissipare la potenza sviluppata dal chip DC/DC ma anche le perdite di potenza sull’induttore. 

Moduli per interfacce radio

Il vantaggio principale nell’utilizzo di un modulo RF rispetto ad una soluzione discreta è dato dal fatto di non richiedere nessuna expertise in ambito RF da parte del progettista. Invece una soluzione discreta richiede attenzioni particolari per tutto il front end a radiofrequenza, adattamento di impedenza, ed eventualmente anche il design di una antenna PCB. 

Altro grande vantaggio della soluzione modulare RF consiste nel fatti che i moduli sono già stati certificati per l’applicazione che abilitano.  Questo riduce enormemente i rischi durante la fase di certificazione del PCB che è comunque necessaria.